DE10163089C1

DE10163089C1 - Motorspindel mit Stellelement

Info

Publication number: DE10163089C1
Application number: DE2001163089
Authority: DE
Inventors: Heinz Wehrfritz
Original assignee: Paul Mueller GmbH and Co KG Unternehmensbeteiligungen
Current assignee: Paul Mueller GmbH and Co KG Unternehmensbeteiligungen
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2021-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motorspindel 1 mit einer Spindelwelle 2 zur Aufnahme eines Werkzeugs 6, wobei die Spindelwelle 2 im Gehäuse 3 der Motorspindel 1 in einer Festlagerung 4 und einer Loslagerung 5 mit einer axial verschiebbaren Lagerbüchse 12 aufgenommen ist, das aufgenommene Werkzeug 6 das bearbeitete Werkstück 7 bei angetriebener Spindelwelle 2 an einer Werkzeugschnittstelle kontaktiert und ein Stellelement zur Einstellung der axialen Verschiebbarkeit der Lagerbüchse 12 der Motorspindel 1 vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Motorspindel mit einer Spindelwelle zur Aufnahme eines Werkzeugs mit den weiteren Merkmalen des Ober begriffs des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Ver fahren zur Einstellung der axialen Verschiebbarkeit der Lagerbüchse der Loslagerung einer Motorspindel mit einer Spindelwelle.

Als Stand der Technik ist aus der 101 23 717 A1 (Anmelder: Paul Müller GmbH & Co. KG Unterneh mensbeteiligungen) eine Motorspindeln mit Werkzeugen bekannt, die zur Bearbeitung von Werkstücken insbesondere mit automatisiertem Werkzeug- oder Werkstückwechsel eingesetzt wird. Die Welle einer derartigen Motorspindel kann eine Festlagerung und eine Loslage rung besitzen, wobei die Loslagerung in einer axial verschiebbaren Lagerbüchse aufgenommen sein kann.

Als Stand der Technik ist ferner aus der DE 34 48 382 C2 ein Positionierantrieb für eine Werkzeugmaschine bekannt, der eine erste von einem Positioniermotor drehantreibbare Teilwelle mit einer ersten Teilschnecke und eine zweite Teilwelle mit einer zweiten Teilschnecke aufweist, wobei die zweite Teilwelle zur ersten Teilwelle koaxial und dazu axial beweglich und radial unbeweglich geführt ist. Ferner ist eine Positioniersteuerung zur Steuerung des Positioniermotors vorgesehen, wobei mit der Positioniersteuerung eine Steuerung für ein Druckmedium vorgesehen ist, welches zur Beaufschlagung eines Plungers zur Einstellung der axialen Vorspannung der ersten Teilwelle dient.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Motorspindel sowie ein Verfahren anzubieten, bei denen die Lagerung an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird für die Motorspindel durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Motorspindel werden in den Unteransprüchen 2-11 beschrie ben. Für das Verfahren wird die Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 10 beschrieben. Vor teilhafte Verfahrensvarianten finden sich in den Unteransprüchen 13 -15.

Die erfindungsgemäße Motorspindel besitzt ein Stellelement zur Ein stellung der axialen Verschiebbarkeit der Lagerbüchse und damit der Steifigkeit der Motorspindel. Die Steifigkeit einer Motorspindel ist ein Maß für die Belastbarkeit gegenüber auftretenden Reaktionskräften der Motorspindel bei der Werkstückbearbeitung. Generell ist bei der Bearbeitung des Werkstücks eine erhöhte Steifigkeit zur Erzielung geringer Bearbeitungstoleranzen wünschenswert. Beim Heranfahren der Motorspindel im Eilgang z. B. nach einem erfolgten Werkstück wechsel und einer Kontaktierung des Werkstücks durch das Werk zeug kann eine verminderte Steifigkeit zur Abdämpfung des Kontakt stoßes zwischen Werkzeug und Werkstück wünschenswert sein. Er findungsgemäß dient das Stellelement zur jeweils günstigen Einstel lung der Steifigkeit abhängig vom Betriebszustand der Motorspindel.

In einer ersten Ausführungsform kann das Stellelement einen Kolben aufweisen, wobei ein Zylinder zur Betätigung des Kolbens vorgese hen sein kann. Dabei kann das Stellelement auf die Lagerung der Motorspindel, insbesondere auf die Loslagerung, wirken und zur Er höhung der Steifigkeit (Vorspannung) eine in axialer Richtung der Welle wirkende Gegenkraft in die Motorspindel einleiten. Bei Einlei tung einer erhöhten Gegenkraft wird die Steifigkeit der Spindelwelle erhöht und bei Einleitung einer verminderter Gegenkraft die Steifig keit vermindert, wie dies z. B. beim Werkstückwechsel von Vorteil sein kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Stell element ein aufweitbares Ringelement aufweisen, das ebenfalls im Bereich der Loslagerung der Motorspindel angebracht sein kann. Bei Verwendung einer an sich bekannten Lagerbüchse zur Realisierung der Loslagerung kann die axiale Beweglichkeit der Lagerbüchse durch Reibungskräfte des Ringelements verändert werden. Je nach Aufweitungsgrad kann das Ringelement erhöhte oder verringerte Reibkräfte erzeugen, welche die axiale Bewegung der Lagerbüchse erleichtern oder erschweren, wodurch die axiale Steifigkeit (Vorspan nung) der Motorspindel vermindert oder erhöht wird.

Das Stellelement kann auf an sich bekannte Art und Weise betätigt werden, also z. B. pneumatisch oder hydraulisch.

Um die Nebenzeiten beim Werkzeug- oder Werkstückwechsel zu vermindern, werden Vorschub und im Zusammenhang mit dem Werkstückwechsel stehende Bewegungen der Motorspindel in einem Eilgang mit erhöhter Geschwindigkeit ausgeführt. Wenn sich Werk zeug und Werkstück wieder im Eingriff befinden, muß ein Arbeits gang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit eingestellt werden.

Erfindungsgemäß wird nun angestrebt, einen möglichst großen Anteil der Nebenzeiten beim Werkstückwechsel im Eilgang durchzuführen und erst zu einem möglichst späten Zeitpunkt wieder auf den Ar beitsgang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit umzustellen.

Hierzu besitzt die Motorspindel vorteilhafterweise einen Wegsensor zur Ermittlung des Zeitpunkts der Kontaktierung des Werkzeugs mit dem Werkstück. Nach einem erfolgten Werkzeug- oder Werkstück wechsel werden Werkzeug und Werkstück aneinander herangefah ren, und zwar im Eilgang. Erst dann, wenn der erfindungsgemäße Wegsensor eine stoßartige Wegänderung der Welle und damit der Lagerbüchse feststellt, wird von der Motorspindel detektiert, daß das Werkzeug das Werkzeug kontaktiert hat und es wird vom Eilgang mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit auf den Arbeitsgang mit geringe rer Vorschubgeschwindigkeit zur Bearbeitung des Werkstücks um geschaltet. Der Wegsensor ermöglicht damit die Ermittlung des Um schaltzeitpunkts von Eilgang auf Arbeitsgang. Eine zu frühe Umstel lung vom Eilgang auf den Arbeitsgang und eine damit verbundene unerwünschte Erhöhung der Nebenzeiten wird vermieden.

Vorteilhafterweise wird ein an sich bekanntes Vorschubelement, wel ches zur Ausrichtung und zur Vorschubbewegung (hin bzw. weg vom Werkstück) dient, verwendet. In diesem Vorschubelement kann min destens ein Eilgang zur beschleunigten Bewegung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück und mindestens ein Arbeitsgang zur ver langsamten Bewegung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück eingestellt werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Einstellung der axialen Ver schiebbarkeit der Lagerbüchse der Loslagerung einer Motorspindel mit einer Spindelwelle wird die axiale Verschiebbarkeit der Lager büchse der Motorspindel zur Anpassung an unterschiedliche Be triebsbedingungen über ein Stellelement eingestellt.

Gemäß einer vorteilhaften Verfahrensvariante wird über einen Weg sensor beim Werkzeugwechsel der Zeitpunkt der Kontaktierung des Werkzeugs mit dem Werkstück erfaßt und dabei von einem Eilgang mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit auf einen Arbeitsgang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit umgeschaltet.

Zur Steuerung der Vorschubbewegung des Werkzeugs wird über ei nen Wegsensor beim Werkzeugwechsel der Zeitpunkt der Kontaktie rung des Werkzeugs mit dem Werkstück erfaßt und dabei von einem Eilgang mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit (nach dem Werk stückwechsel eingestellt wird) auf einen Arbeitsgang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit umgeschaltet. Durch den Wegsensor wird der Zeitpunkt einer Umschaltung vom Eilvorschub auf den Arbeits vorschub ermittelt, so daß eine zu frühe Umschaltung und damit eine unerwünschte Erhöhung der Nebenzeiten beim Werkzeugwechsel vermieden wird.

Vorteilhafterweise wird beim Heranfahren des (neuen) Werkzeugs an das zu bearbeitende Werkstück die Steifigkeit der Spindelwelle der Motorspindel vermindert, um ein schonendes Kontaktieren des Werkstücks durch das Werkzeug zu ermöglichen. Nach erfolgter Kontaktierung von Werkzeug und Werkstück kann die Steifigkeit zur Verringerung von Bearbeitungstoleranzen bei der Bearbeitung des Werkstücks wieder erhöht werden.

Erfindungsgemäß wird ferner eine Verwendung eines an sich be kannten Wegsensors in einer beschriebenen Maschinenspindel zur Erfassung des Zeitpunkts der Kontaktierung des Werkzeugs mit dem Werkstück vorgeschlagen um bei Kontaktierung von einem Eilgang mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit (der während des bereits be schriebenen Werkzeug- oder Werkstückwechsels eingestellt wird) auf einen Arbeitsgang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit umzuschalten.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeich nungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Motorspindel im Längsschnitt mit einer ersten Ausführungsform eines Stellelements,

Fig. 2 eine Motorspindel im Längsschnitt mit einer zweiten Ausführungsform eines Stellelements sowie

Fig. 3 eine Motorspindel im Längsschnitt mit einer dritten Ausführungsform eines Stellelements.

Fig. 1 zeigt eine Motorspindel 1 im Längsschnitt mit einer Spindelwel le 2 und einem Gehäuse 3. Die Spindelwelle 2 wird über den an sich bekannten Antrieb 11 angetrieben. Ferner ist die Spindelwelle 2 in einer Festlagerung 4 und einer Loslagerung 5 im Gehäuse 3 aufge nommen. Dabei sind Festlagerung 4 und Loslagerung 5 über eine kraftbeaufschlagte Lagerbüchse 12 gegeneinander vorgespannt. Die Kraftbeaufschlagung der Lagerbüchse 12 kann durch ein Federele ment 13, hydraulisch, pneumatisch und/oder magnetisch erfolgen. An der Spindelwelle 2 ist in einem schematisch dargestellten Spann system 14 das Werkzeug 6 (z. B. eine Topfschleifscheibe) aufge nommen, welche sich im Eingriff mit dem Werkstück 7 (z. B. einer Si liziumoberfläche) befindet.

Aus Fig. 1 geht ein als Kolben 9 ausgebildetes Stellelement hervor. Der Kolben 9 ist in einem Zylinder 17 z. B. mit einer Flüssigkeit 18 aufgenommen. Durch Druckbeaufschlagung der Flüssigkeit 18 kann der Kolben 9 entgegen Richtung 15 verschoben werden, wobei über ein mit der Lagerbüchse 12 verbundenes Übertragungselement 19 des Kolbens 9 eine axiale Kraft entgegen Richtung 15 in die Lager büchse 12 und damit in die Loslagerung 5 der Motorspindel 1 einge leitet wird. Hierdurch wird die axiale Steifigkeit (Vorspannung) der Motorspindel 1 erhöht.

Durch Druckabbau im Zylinder 17 kann in entgegengesetzter Wir kungsweise die axiale Steifigkeit der Motorspindel 1 für die bereits beschriebene Anwendungsfälle vermindert werden. Der Zylinder 17 kann über ein Ventil 20 mit einer allgemein dargestellten und an sich bekannten Steuerung 21 sowie einer Druckquelle 22 verbunden sein.

Fig. 2 zeigt ein Stellelement nach Fig. 1, wobei die Flüssigkeit 18 elektro- oder magnetorheologisch ist, und durch Beaufschlagung mit sich ändernden elektrischen oder magnetischen Feldern z. B. einer Spule 28 ihre Viskosität verändert. Der Zylinder 17 ist über eine Ver bindung 26 mit einem Behälter 27 verbunden. Bei Änderung der Vis kosität der Flüssigkeit 18 ändert sich deren Fließverhalten und damit die Verschiebbarkeit des Kolbens 9 und des Stellelements.

Beim Werkstückwechsel wird die Motorspindel 1 in Richtung 15 über das an sich bekannte Vorschubelement (nicht näher abgebildet) vom Werkstück 7 entfernt und es kann das Werkstück 7 entnommen und ein neues Werkstück 7 eingelegt werden. Danach wird die Motor spindel 1 entgegen Richtung 15 wieder in Richtung des Werkstücks 7 bewegt. Wenn die Kontaktierung des Werkzeugs 6 mit dem neuen Werkstück 7 auftritt, also der in Fig. 1, 2 und 3 abgebildete Zustand, wird diese stoßartige Belastung der Spindelwelle 2 durch den Weg sensor 8 erfaßt.

Der Wegsensor 8 ermittelt eine stoßartige Belastung der Spindelwel le 2 in axialer Richtung (parallel zur Richtung 15). Dabei kann der Wegsensor 8 einen Abstand zu einer Bezugsfläche 16 der an sich bekannten Lagerbüchse 12 der Loslagerung 5 überwachen. Nach Detektion der stoßartigen Belastung der Spindelwelle 2 in axialer Richtung 15 wird der Vorschub der Motorspindel 1 entgegen Rich tung 15 vom Eilgang auf den Arbeitsgang umgeschaltet. Der Weg sensor 8 ist hierbei auf an sich bekannte und nicht näher abgebildete Weise mit einem Element zur Steuerung des Vorschubelements ver bunden.

Fig. 3 zeigt eine weitere alternative Realisierung des Stellelements als aufweitbares (elastisches) Ringelement 10, welches umlaufend eine Innenfläche 23 des Gehäuses 3 der Motorspindel 1 kontaktiert.

Der Wegsensor 8 ist dabei nicht näher abgebildet, kann jedoch ana log zur Ausführungsform nach Fig. 1 vorgesehen sein. Ferner ist das Ringelement 10 in der Lagerbüchse 12 aufgenommen und wird über eine Zuführung 24 derart druckbeaufschlagt, daß eine Aufweitung des Ringelements 10 in Richtung 25 stattfindet, wodurch das Ring element 10 an die Innenfläche 23 angepreßt wird und damit zwi schen Innenfläche 23 und Ringelement 10 Reibkräfte auftreten, wel che ein Verschieben der Lagerbüchse 12 in oder entgegen Richtung 15 erschweren.

Bei Druckabbau in der Zuführung 24 über eine Steuerung 21 sowie einer Druckquelle 22 vermindern sich die Reibkräfte zwischen Ring element 10 und Innenfläche 23. Damit kann sich die Lagerbüchse 12 leichter bewegen.

BEZUGSZEICHEN

1

Motorspindel

2

Spindelwelle

3

Gehäuse

4

Festlagerung

5

Loslagerung

6

Werkzeug

7

Werkstück

8

Wegsensor

9

Kolben

10

Ringelement

11

Antrieb

12

Lagerbüchse

13

Federelement

14

Spannsystem

15

Richtung

16

Bezugsfläche

17

Zylinder

18

Flüssigkeit

19

Übertragungselement

20

Ventil

21

Steuerung

22

Druckquelle

23

Innenfläche

24

Zuführung

25

Richtung

26

Verbindung

27

Behälter

28

Spule

Claims

1. Motorspindel mit einer Spindelwelle zur Aufnahme eines Werk zeugs, wobei die Spindelwelle im Gehäuse der Motorspindel in einer Festlagerung und einer Loslagerung mit einer axial ver schiebbaren Lagerbüchse aufgenommen ist und das aufge nommene Werkzeug das bearbeitete Werkstück bei angetrie bener Spindelwelle an einer Werkzeugschnittstelle kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellelement zur Einstellung der axialen Verschiebbarkeit der Lagerbüchse (12) der Motorspindel (1) vorgesehen ist.

2. Motorspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement ei nen Kolben (9) aufweist.

3. Motorspindel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zylinder (17) zur Betätigung des Kolben (9) vorgesehen ist.

4. Motorspindel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (17) mit einer elektrorheologischen oder magnetorheologischen Flüssig keit (18) gefüllt ist.

5. Motorspindel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule (28) zur Veränderung der Viskosität der Flüssigkeit (18) vorgesehen ist.

6. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement ein aufweitbares Ringelement (10) aufweist.

7. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement pneumatisch betätigbar ist.

8. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement hy draulisch betätigbar ist.

9. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorschubele ment zur Erzeugung einer relativen Bewegung zwischen dem Werkzeug (6) und dem bearbeiteten Werkstück (7) vorgesehen ist.

10. Motorspindel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorschubele ment mindestens einen Eilgang zur beschleunigten Bewegung des Werkzeugs (6) gegenüber dem Werkstück (7) und mindes tens einen Arbeitsgang zur verlangsamten Bewegung des Werkzeugs (6) gegenüber dem Werkstück (7) aufweist.

11. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wegsensor (8) zur Ermittlung des Zeitpunktes der Kontaktierung des Werk zeugs (6) mit dem Werkstück (7) bei einem Werkzeugwechsel vorgesehen ist.

12. Verfahren zur Einstellung der axialen Verschiebbarkeit der La gerbüchse der Loslagerung einer Motorspindel mit einer Spin delwelle, insbesondere einer Motorspindel nach einem der An sprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, die axiale Verschiebbar keit der Lagerbüchse der Motorspindel über ein Stellelement eingestellt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Wegsen sor beim Werkzeugwechsel der Zeitpunkt der Kontaktierung des Werkzeugs mit dem Werkstück erfaßt und dabei von einem Eilgang mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit auf einen Ar beitsgang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit umgeschaltet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß während des Heran fahrens des Werkzeugs an das Werkstück in einem Eilgang die Steifigkeit der Spindelwelle der Motorspindel vermindert wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit der Spindelwelle der Motorspindel bei Kontaktierung des herange fahrenen Werkzeugs mit dem Werkstück erhöht wird.